NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

……………………

Phạm Trí Thức

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG

VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

....................................

Phạm Trí Thức

NGHIÊN CỨU ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA NƯỚC BIỂN TRONG

VÙNG BIỂN NAM TRUNG BỘ

Chuyên ngành: Hải dương học

Mã số: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Phạm Văn Huấn

Hà Nội - 2012

3

Mục lục

MỞ ĐẦU …………………………………………………………........... 1

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……………………………………….. 3

1.1. Cơ sở lý thuyết về trường mật độ của nước biển …………………… 3

1.2. Khái niệm nhiệt độ thế vị, mật độ thế vị, gradien mật độ của nước

biển ……………………………………………………………………… 6

1.2.1. Nhiệt độ thế vị …………………………………………...... 6

1.2.2. Mật độ thế vị và gradien mật độ của nước biển ……………. 7

1.3. Điều kiện ổn định thẳng đứng của nước biển ………………………. 11

1.4. Năng lượng bất ổn định của nước biển ……………………….......... 14

Chương 2: CÔNG THỨC TÍNH, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ

CÁCH TÍNH ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN ……. 17

2.1. Công thức tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển ……………… 17

2.2. Phương pháp nghiên cứu và cách tính độ ổn định theo phương thẳng

đứng của nước biển ……………………………………………………… 20

2.2.1. Phương pháp nghiên cứu …………………………………… 20

2.2.2. Cách tính độ ổn định thẳng đứng của nước biển …………… 20

Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU

ĐỘ ỔN ĐỊNH THẲNG ĐỨNG CỦA NƯỚC BIỂN …………………… 23

3.1. Khái quát và số liệu tại một số trạm đo trong vùng biển Nam Trung

Bộ ………………………………………………………………………... 23

3.2. Phân tính đánh giá độ ổn định của nước biển theo phương thẳng

đứng tại một số trạm đo thuộc vùng biển Nam Trung Bộ ………………. 25

3.3. Ứng dụng nghiên cứu độ ổn định thẳng đứng của nước biển để đánh

giá ảnh hưởng trong lĩnh vực hoạt động quân sự ……………………….. 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………... 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………. 54

4

MỞ ĐẦU

Các quá trình xảy ra trong biển và đại dương đều bị chi phối bởi các

quy luật vật lý cơ bản của nước biển. Các quá trình động lực xảy ra trên biển

và đại dương, ngoài nguyên nhân chính là do các các yếu tố tạo nên chúng,

còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý như nhiệt độ nước biển, độ muối và các

yếu tố thứ sinh như mật độ và độ ổn định của nước biển … Các chuyển động

thẳng đứng do phân tầng mật độ đóng một vai trò hết sức quan trọng trong các

quá trình hải dương học.

Cho đến nay chưa có nhiều đề tài nghiên cứu về độ ổn định thẳng đứng

của nước biển do: Các nhà khoa học chủ yếu quan tâm nhiều đến động lực học

biển mà ít đề cập đến lĩnh vực tĩnh học nước biển. Mặt khác do nghiên cứu độ

ổn định của nước biển chưa phải là lĩnh vực chủ đạo mà chỉ là phần tính toán

nhỏ trong nghiên cứu hải dương học.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về trường thủy âm, trường sóng

nội và nghiên cứu độ ổn định của nước biển cũng mới bắt đầu do một số

ngành đặc thù quan tâm, như trong lĩnh vực Quân sự, khai thác Thủy sản,

Kinh tế …

Luận văn “nghiên cứu độ ổn định của nước biển”: nghiên cứu sự

phân bố và thay đổi độ ổn định theo chiều thẳng đứng và theo mùa (mùa đông

và mùa hè) có ý nghĩa lớn trong khi nghiên cứu các khối nước Đại dương. Độ

ổn định đặc trưng cho khả năng và cường độ xáo trộn nước. Theo phân bố của

độ ổn định có thể biết được vị trí và biên giới của các lớp nước có gradien mật

độ lớn - lớp nhảy vọt mật độ, giới hạn của các khối nước có nguồn gốc khác

nhau, các đới hội tụ và phân kỳ dòng, độ sâu xuất hiện đối lưu và các quá

trình khác.

Nội dung luận văn bao gổm 03 chương, phần kết luận và phần các bảng

phụ lục:

5

- Chương 1: Cơ sở lý thuyết.

Trình bày cơ sở lý thuyết về trường mật độ, gradien về mật độ nước

biển, khái niệm về nhiệt độ thế vị, mật độ thế vị; điều kiện ổn định thẳng đứng

và năng lượng bất ổn định của nước biển.

- Chương 2: Công thức tính và phương pháp tính độ ổn định thẳng đứng

của nước biển.

Trình bày công thức tính, phương pháp nghiên cứu và cách tính độ ổn

định thẳng đứng của nước biển.

- Chương 3: Kết quả tính toán và ứng dụng nghiên cứu độ ổn định thẳng

đứng của nước biển.

+ Khái quát và số liệu vùng biển Nam Trung Bộ, phân tính đánh giá độ

ổn định của nước biển theo phương thẳng đứng và theo mùa tại một số trạm

đo thuộc vùng biển Nam Trung Bộ.

+ Ứng dụng nghiên cứu độ ổn định thẳng đứng của nước biển để đánh

giá ảnh hưởng trong lĩnh vực hoạt động quân sự.

- Kết luận: Tóm tắt nội dung và kết quả nghiên cứu, một số nhận xét.

- Phần phụ lục: Các bảng kết quả tính độ ổn định của nước biển trong vùng

biển Nam Trung Bộ.

6

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1. Cơ sở lý thuyết về trường mật độ của nước biển

Tính chất vật lý của nước cất chỉ phụ thuộc vào hai tham số: nhiệt độ và

áp suất. Tính chất vật lý của nước biển, ngoài ra, còn phụ thuộc vào độ muối

là đặc điểm đặc trưng nhất của nó. Một số tính chất như độ nén, độ dãn nở

nhiệt, hệ số khúc xạ biến đổi ít khi độ muối thay đổi, trong khi đó các tính

chất như mật độ, nhiệt độ đóng băng, nhiệt độ ứng với mật độ cực đại v.v...

phụ thuộc đáng kể vào độ muối [3].

Mật độ nước biển phụ thuộc vào độ mặn và nhiệt độ nước biển. Khi độ

mặn tăng, mật độ tăng vì trong nước có các chất hoà tan với trọng lượng riêng

lớn hơn nước. Khi nhiệt độ biến thiên, mật độ nước biển thay đổi theo qui luật

phức tạp hơn. Đối với nước ngọt, mật độ cực đại ở t0

= 40

C, như vậy, khi nhiệt

độ giảm dưới 40

C và tăng lên trên 40

C mật độ giảm. Nước biển do có độ mặn

nên nhiệt độ mật độ cực đại ( ) cũng như nhiệt độ đóng băng () biến thiên

tuỳ thuộc vào giá trị độ mặn.

Tính chất biến thiên này được biểu thị bằng giá trị ở bảng 1.1 và hình

1.1 dưới đây [4]:

Bảng 1.1. Nhiệt độ tỷ trọng cực đại và đóng băng phụ thuộc độ mặn.

S‰  (

0

C) (

0

C) S‰  (

0

C) (

0

C)

0 3,95 0,00 20 -0,31 -1,07

5 2,93 - 0,27 25 -1,40 - 1,35

10 1,86 - 0,53 30 -2,47 - 1,63

15 0,77 - 0,80 35 -3,52 - 1,91

Với giá trị của bảng 1.1, ta vẽ được biểu đồ ở hình 1.1 cho thấy rằng khi

độ mặn tăng, cả hai nhiệt độ đều giảm hầu như theo đường thẳng. Với trị số

độ mặn bằng 25‰ (chính xác hơn là 24,695‰) hai đường biến thiên cắt nhau

ở cùng giá trị nhiệt độ xấp xỉ -1,400

C.

7

Khi giá trị độ mặn nhỏ hơn 25‰, nhiệt độ tỷ trọng cực đại có trị số lớn

hơn nhiệt độ đóng băng như nước ngọt. Với độ mặn lớn hơn 25‰, nhiệt độ tỷ

trọng cực đại thấp hơn nhiệt độ đóng băng. Trong thực tế, thứ nước đó không

bao giờ lạnh tới nhiệt độ tỷ trọng cực đại vì nó đã đóng băng rồi. Người ta qui

ước nước có độ mặn nhỏ hơn 25‰ là nước lợ hay nước pha ngọt, còn cao hơn

gọi là nước biển [4].

Hình 1.1. Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của

nhiệt độ tỷ trọng cực đại và nhiệt độ đóng băng.

Sự tồn tại của những hạt hòa lẫn trong nước tự nhiên làm thay đổi tính

chất quang học, âm học và các tính chất khác. Các quá trình truyền nhiệt,

khuếch tán, ma sát xảy ra trong nước đứng yên chậm hơn hẳn trong nước

chuyển động rối. Vì vậy, giá trị các hệ số truyền nhiệt, khuếch tán, độ nhớt

nhận được đối với nước đứng yên trong phòng thí nghiệm, tức là đối với các

quá trình phân tử, không còn đúng đối với những quá trình thực ở đại dương,

mà ở đây đòi hỏi phải thay thế bằng những hệ số rối tương ứng. Tuy nhiên cần

chú ý rằng, nếu một số tính chất vật lý của nước biển có thể xác định với độ

chính xác cao phụ thuộc vào tạp chất tồn tại trong nước biển và tính chất

chuyển động, thì một số tính chất khác chỉ có thể xác định một cách gần đúng,

0 5 10 15 20 25 30 35 40 S0

/00

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0

C

τ

θ

8

vì chúng thay đổi phụ thuộc vào độ biến đổi của lượng các hạt lơ lửng trong

nước, vào tính chất chuyển động, mà đến nay chưa thể xác định đủ chính xác.

Không phải tất cả các tính chất vật lý của nước biển đều có ý nghĩa như

nhau đối với việc nghiên cứu những quá trình xảy ra trong Đại dương Thế

giới. Những tính chất quan trọng nhất là mật độ, nhiệt dung, nhiệt độ đóng

băng và nhiệt độ ứng với mật độ cực đại. Các tính chất khác như nhiệt độ sôi,

độ nhớt phân tử, độ truyền nhiệt và khuyếch tán phân tử ít có ý nghĩa hơn [3].

Mật độ nước biển và những đại lượng liên quan như trọng lượng riêng,

thể tích riêng là những tham số vật lý quan trọng dùng nhiều trong các tính

toán hải dương học. Sự phân bố mật độ trong biển quyết định hoàn lưu theo

phương ngang và theo phương thẳng đứng; sự trao đổi vật chất và năng lượng

trong nó; nghiên cứu trường thủy âm, trường sóng nội; nghiên cứu độ ổn định

của nước biển…

Xuất phát từ cơ sở dữ liệu về các yếu tố nhiệt độ, độ muối nước biển sẽ

tính toán những đặc trưng thứ sinh quan trọng của nước biển là mật độ nước,

độ ổn định thẳng đứng của nước biển [3].

Dưới đây tóm tắt các định nghĩa về mật độ, trọng lượng riêng của nước

biển chấp nhận trong các sách giáo khoa và chuyên khảo về hải dương học vật

lý và quy ước dùng trong luận văn này.

Mật độ nước biển S

4

t trong hải dương học là tỷ số của trọng lượng một

đơn vị thể tích nước tại nhiệt độ quan trắc so với trọng lượng một đơn vị thể

tích nước cất tại 4C. Như vậy đại lượng mật độ nước biển trong hải dương

học không có thứ nguyên, nhưng có trị số bằng mật độ vật lý. Khi viết ngắn

gọn người ta sử dụng tham số mật độ quy ước của nước biển  t tính bằng:

3 101

4 



 



  t S  t

Về trị số, mật độ nước biển được xác định theo trọng lượng riêng của

(1.1)